白 杰

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

陽煤礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層瓦斯含量高，給煤層開采帶來潛在危害[1]。在開采過程中，瓦斯一旦釋放（或突出），很難定量識(shí)別混合瓦斯氣體來源及源貢獻(xiàn)比例，難以進(jìn)行科學(xué)、有效的治理和防護(hù)工作。如何定量解析混合瓦斯氣體，已成為煤礦安全開采過程中瓦斯防治的重要任務(wù)之一。

本次研究結(jié)合煤田地質(zhì)學(xué)、巖石礦物學(xué)、統(tǒng)計(jì)分析等多學(xué)科交叉理論，從微尺度辨識(shí)煤層群混合瓦斯氣體的來源，定量來源的貢獻(xiàn)比例，完成煤層群開采瓦斯分源預(yù)測(cè)技術(shù)體系的建立，為礦井瓦斯治理和安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。掌握研究工作面煤及其瓦斯中元素的含量及分布特征，研究煤與瓦斯中元素地球化學(xué)的相關(guān)性，定量確定混合瓦斯中不同端源（煤層）所占的比例，可為工作面煤層瓦斯的治理提供技術(shù)支持。

通過對(duì)煤有機(jī)碳同位素值、瓦斯中碳同位素值及其分布規(guī)律進(jìn)行分析，通過煤層不同位置有機(jī)碳同位素值的差異來解決煤層瓦斯氣體來源識(shí)別問題。按不同來源的氣體，采用不同含量進(jìn)行混合測(cè)試，以確定不同含量級(jí)中混合氣體的物質(zhì)組成特征，為以后識(shí)別混合氣體的來源和含量提供論據(jù)。

1 工程概況

新景礦現(xiàn)開采3號(hào)、8號(hào)和15號(hào)煤層。2005年經(jīng)煤科總院撫順研究院鑒定，新景礦為突出礦井，3號(hào)煤層為突出煤層。其中強(qiáng)度最大的一次為2012年6月19日發(fā)生于保安3#煤北一出煤巷的突出，突出煤量202.99 t，瓦斯量15 862 m3。

隨著開采深度和開發(fā)強(qiáng)度的加大，開采地域向地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜的井田西部推進(jìn)，瓦斯突出綜合指標(biāo)D值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，由1.39增至6.72，瓦斯壓力增加到1.75 MPa以上，突出危險(xiǎn)性增大[2]。

2 煤層樣品采集及測(cè)試

2.1 樣品采集

通過采集煤礦開采過程中涉及的主要煤層煤樣以及不同抽采方式所得的混合瓦斯樣品，高精度測(cè)試了煤中特征微量元素和有機(jī)碳同位素值以及混合瓦斯氣體中甲烷、二氧化碳等氣體成分中的碳同位素值。煤樣和氣體樣品采集情況見表1。

表1 樣品采集統(tǒng)計(jì)表

2.2 樣品測(cè)試

（1）煤中微量元素測(cè)試

將采集的塊狀樣品進(jìn)行篩選、分樣及研磨，以達(dá)到測(cè)試分析所需要的樣品粒度[3]。標(biāo)注好樣品編號(hào)、研磨粒徑以及簡單的樣品描述。對(duì)煤等固體樣品進(jìn)行消解。為了保證樣品消解過程中測(cè)試元素的不損失，所有樣品均采用微波消解。

（2）瓦斯碳同位素測(cè)試

Delta Plus穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀通過CONFLO III設(shè)備，與Flash EA 1112元素分析儀聯(lián)用自動(dòng)連續(xù)分析有機(jī)樣品中的C和N同位素，或與元素分析儀TC/EA聯(lián)用，經(jīng)過高溫分解自動(dòng)連續(xù)分析有機(jī)樣品中的O同位素。Delta Plus與HP 6890 GC聯(lián)用用于有機(jī)樣品的氣相色譜的自動(dòng)分析及有機(jī)分子化合物的有機(jī)碳同位素分析，或與預(yù)濃縮設(shè)備PreCon聯(lián)用，用于CH4、N2O等痕量氣體的含量和同位素自動(dòng)分析。

3 煤層微量元素含量分布特征

3.1 微量元素含量分布情況

表2列出了新景礦3#、6#、8#、9#、15#煤層中24種元素的含量范圍及其平均值，不同煤層間微量元素變化幅度較大。

從表2可以看出，新景礦煤中的某些微量元素含量在同一煤層中變化較大，往往相差有數(shù)量級(jí)的差別，說明同一煤層在成煤過程的不同時(shí)段內(nèi)成煤環(huán)境發(fā)生了較大的改變。同時(shí)，不同煤層中微量元素的平均含量存在較大不同，說明不同煤層在形成過程中的成煤環(huán)境也有所變化，從而引起煤層中微量元素的富集有所不同。

表2 新景礦不同煤層樣品微量元素含量特征（μg/g）

3.2 微量元素含量分布特征分析

不同煤層中微量元素的分布具有明顯的差異，其中含量差別較大微量元素，即可以作為煤層的特征微量元素。3#煤層煤中Ba元素的含量明顯低于其他煤層，因此可作為3#煤層的特征微量元素；6#煤層煤中Ba、B和Bi元素的含量明顯低于其他煤層，而Cr、Li和Mn元素的含量遠(yuǎn)高于其他煤層煤中相應(yīng)元素的含量，因此可作為6#煤層的特征微量元素；9#煤層煤中Cd元素的含量明顯低于其他煤層，而Fe、Mg、As、Co、Sn、Ti、Zn、Ni、Pb、B、Bi、V、Mn、Ga和Sb元素的含量遠(yuǎn)高于其他煤層煤中相應(yīng)元素的含量，因此可作為9#煤層的特征微量元素；15#煤層煤中Al、As、Sr和B元素的含量遠(yuǎn)高于其他煤層，因此可作為15#煤層的特征微量元素。

4 混合瓦斯來源定量分析

本次試驗(yàn)測(cè)試分3次在新景礦的不同位置采集抽放管路混合瓦斯樣品，共采集瓦斯樣品20件，對(duì)不同采樣點(diǎn)的混合瓦斯來源進(jìn)行了精確定量分析，分析了瓦斯源組分變化特征，為瓦斯釋放源的識(shí)別提供科學(xué)論據(jù)。通過測(cè)試混合瓦斯中碳同位素值后，代入氣源識(shí)別模型中，數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，混合瓦斯來源比例結(jié)果見表3。

從表3可知，新景礦各煤層來源比例變化范圍較大。其中采集自3213工作面和3214工作面的瓦斯樣品主要來源于3煤層，范圍在75%～93%之間。采集自8118工作面的瓦斯樣品主要來源于8煤層，比例均超過85%。對(duì)于采集自9104工作面的瓦斯樣品，本煤層和采空區(qū)9#煤位置的樣品主要來源于9煤層，比例為73%～92%；在采空區(qū)-8#煤位置的樣品主要來源于8煤層，比例為69%～72%。對(duì)于采集自15313工作面的瓦斯樣品，在走向高抽巷采集的樣品主要來源于8煤層和9煤層，而在低位高抽巷采集的樣品則主要來源于15煤層，工作面高抽位置采集的樣品主要來源于8煤層和9煤層。

表3 新景礦瓦斯來源比例結(jié)果

5 主要結(jié)論

（1）總結(jié)了新景礦3#、8#、9#、15#煤層煤中微量元素的含量、分布特征以及影響因素、有機(jī)碳同位素的變化范圍、變化趨勢(shì)以及影響因素，提出了煤中特征微量元素和特征同位素在煤層對(duì)比中的應(yīng)用、瓦斯碳同位素判別瓦斯來源的應(yīng)用。

（2）提出對(duì)煤層樣品進(jìn)行測(cè)試與分析，總結(jié)分析了新景礦各煤層微量元素的含量及分布特征，建立不同比例瓦斯混合時(shí)混合氣體的模型。

（3）通過對(duì)不同煤層碳同位素的測(cè)試分析，對(duì)不同比例混合氣體碳同位素值進(jìn)行了模型建立，根據(jù)實(shí)測(cè)碳同位素值計(jì)算了不同煤層瓦斯氣體在混合氣體中所占的比例，分析了新景礦混合瓦斯氣體來源比例的變化特征。